Time of Flight Excellence − Wie kurz können Impulse werden?

Theoretische Vorarbeiten und praktische Umsetzung

Basierend auf den Forschungstätigkeiten in den ersten beiden Jahren wurden in einem nächsten Schritt die Leistungsbauteile hinsichtlich Hochfrequenzverhalten charakterisiert und der Aufbau des Leistungsteils optimiert. Ein wichtiger Parameter, die parasitäre Induktivität der Leiterplatte, wurde durch einen möglichst kompakten Aufbau auf einer Platine mit sehr dünnen Lagen reduziert. Durch die Messung dieses Parameters konnten die theoretischen Limits des Machbaren definiert und dadurch ein Beweis für die optimale Auslegung des Systems erbracht werden. Diese theoretischen Vorarbeiten bewirkten, dass die Forscher:innen die bisherige Mehrplatinenlösung zu einer Einplatinenlösung weiterentwickeln konnten, die im Stande ist, Impulse im Subnanosekundenbereich zu erzeugen.

Demonstratoraufbau

Die Platine ist mit zwei integrierten Lidar-Chips von ams OSRAM bestückt, von denen jeweils einer als Infrarot-Empfänger ausgewählt werden kann. Ein leistungsstarkes VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) dient als Infrarot-Sender. Diese Infrarot-Laserdioden mit 940nm Wellenlänge und mit bis zu 2500mW optischer Ausgangsleistung erhöhen die Reichweite dieser Lidar-Chips um ein Vielfaches. Wegen der extrem kurzen Lichtimpulse – im Bereich von 300ps bis 10ns – wurden alle Bauteile des Sender-Leistungsteils bezüglich ihrer Hochfrequenzeigenschaften im Frequenzbereich von 100 kHz bis 8 GHz vermessen und simuliert. Hintergrund war die Fragestellung, ob man mit den verfügbaren Bauteilen derartig kurze Schaltzeiten überhaupt erreichen kann, und falls ja, ob dann die abgestrahlte Lichtleistung und damit die erzielbare Reichweite nicht drastisch reduziert würde. Eine weitere Frage war der Einfluss von parasitären Bauteilen durch Leitungsstrukturen und Bauteilgeometrien auf der Leiterplatte.

Diese Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit den Silicon Austria Labs (SAL) in Graz durchgeführt. SAL übernahm die Aufgabe der Hochfrequenzsimulation der Leiterplatte, insbesondere des Laser-Leistungsteils. Das Verhalten der Bauteile wurde mit zwei verschiedenen Messgeräten analysiert: einem Hochfrequenz-Impedanzanalysator von SAL und einem Netzwerkanalysator in einem 50Ω-System an der FH JOANNEUM. Die Messungen lieferten identische Ergebnisse (Bild VCSEL Impedanz). Sie zeigten, dass sich die Bauteile wie ohmsch-induktive Lasten verhalten: oberhalb von 10 MHz bzw. 60 MHz verhalten sich der GaN-Transistor und die Laserdiode wie Induktivitäten, die den Stromanstieg des Lasers physikalisch begrenzen und somit seine Ausgangsleistung limitieren.

Untenstehende Bilder zeigen das Echo eines Ziels in einer Entfernung von 2,1m bei unterschiedlicher Lichtimpulsdauer. Beim längeren Impuls (5ns) ist ein deutlich stärkeres Echo zu erkennen. Der Nachteil ist dabei eine schlechtere Auflösung.